VI Forum Operatorów Systemów i Odbiorców Energii i Paliw Bezpieczeństwo energetyczne a nowe kierunki wytwarzania i wykorzystania energii w Warszawie Juliusz Jankowski Andrzej Rubczyński Vattenfall Heat Poland S.A. Optymalizacja wykorzystania warszawskiego rynku ciepła do produkcji energii elektrycznej Wstęp Wraz z postępującym rozwojem cywilizacyjnym coraz większym wyzwaniem dla metropolii takich jak Warszawa staje się pogodzenie wymogu zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego z oczekiwaniami społecznymi w zakresie wypełniania norm zrównoważonego rozwoju. Oczekiwania te płyną nie tylko ze strony mieszkańców konkretnej metropolii, ale także ze strony mieszkańców innych regionów oczekujących od zamożnych wielkich miast przyjęcia na siebie większej odpowiedzialności za ochronę tak zasobów energetycznych jak i środowiska naturalnego. Mimo zbliżonych wyzwań i podobnych ambicji nie istnieje jednak jedna i uniwersalna droga rozwoju, a każda metropolia musi wybierać inny, najlepiej dopasowany zestaw środków dla optymalnego zaspokojenia swoich potrzeb energetycznych. Indywidualizacja rozwiązań wynikać może zarówno z przyjętej polityki w zakresie zrównoważonego rozwoju jak i realnych możliwości wynikających tak z warunków naturalnych jak i będącego do dyspozycji potencjału technologicznego. Wykorzystanie geotermii, paneli słonecznych, ogniw fotowoltaicznych czy kogeneracji to dalece jeszcze niepełna paleta środków, z której w każdym wypadku należy wybrać najlepszy zestaw rozwiązań dopasowany do lokalnych potrzeb i uwarunkowań. Warszawa kogeneracją stoi Podobnie jak w innych metropoliach konieczność wyboru najbardziej efektywnej drogi realizacji celów zrównoważonego rozwoju stoi zarówno przed władzami Warszawy jak też przed operującymi na jej terenie przedsiębiorstwami energetycznymi. Te ostatnie działając w formule rynku konkurencyjnego muszą w swoich planach strategicznych uwzględniać ambicje i potrzeby swoich klientów. Dotyczy to zarówno szeroko rozumianego bezpieczeństwa dostaw energii jak też wymogów w zakresie konieczność zapewnienia bezpieczeństwa środowiskowego. W przypadku energetyki warszawskiej trudno, ze względu na warunki naturalne, myśleć o szerszym wykorzystaniu takich źródeł ekologicznej i niskoemisyjnej energii jak geotermia czy ogniwa fotowoltaiczne. Jednocześnie jednak energetyka warszawska posiada jeden niezaprzeczalny walor, który pozwala miastu skutecznie realizować swoje ambicje w zakresie promowania i dostarczania rozwiązań pozwalających na oszczędne gospodarowanie energią i środowiskiem naturalnym i w tym zakresie skutecznie współzawodniczyć z innymi wielkimi miastami europejskimi. - 1 -
Tym atutem jest oparcie dostaw ciepła na scentralizowanym układzie ciepłowniczym zasilanym przez wysokosprawne jednostki kogeneracyjne. Mimo, że cała koncepcja warszawskiego systemu pochodzi jeszcze z zamierzchłych czasów centralnego planowania to jednak przez przypadek, a może jednak także z powodu ambicji niegdysiejszych planistów i inżynierów obecny układ warszawskiego ciepłownictwa daje ogromne możliwości realizacji najbardziej ambitnych planów w zakresie rozwoju ekologicznej energetyki. Wysokosprawna kogeneracja zapewniając miastu, obok dostaw ciepła także duży lokalny wolumen energii elektrycznej staje się także najważniejszym elementem systemu zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa energetycznego. Mimo, że początki pracy zainstalowanych w Warszawie jednostek wytwórczych sięgają lat 50 ubiegłego wieku to jednak podejmowane obecnie przez właściciela zakładów Vattenfall Heat Poland S.A. ( VHP) działania remontowe i modernizacyjne zapewniają istniejącemu parkowi maszynowemu niezbędną dyspozycyjność i niski stopień awaryjności. Rozpoczęty jeszcze przed rokiem 2000 program modernizacyjny doprowadził już dziś zarówno do częściowej wymiany najstarszych jednostek kotłowych jak i turbozespołów. W oparciu o dokonane wcześniej modernizacje rozpoczęty obecnie w VHP i bazujący na środkach finansowych uzyskiwanych w głównej mierze z poprawy własnej efektywności i obniżki kosztów, program inwestycyjny tworzyć będzie nowe ramy technologiczne dla funkcjonowania energetyki warszawskiej. Planowana wysokosprawna jednostka węglowa w Elektrociepłowni Siekierki jak też nowa jednostka produkcyjna wykorzystująca paliwo gazowego w Elektrociepłowni Żerań pozwolą zapewnić bezpieczne dostawy ekologicznej energii elektrycznej i cieplnej na najbliższe kilkadziesiąt lat. + 50 MWe Akumulator Akumulacja ciepła w m.s.c ZUSOK 2??? EC Żerań C Kawęczyn + 250 MWe C Wola EC Pruszków EC Siekierki ZUSOK 1 +70 MWe +20 MWe +400 MWe + - przyrost netto zakładu Rys nr1. Nowe możliwości zwiększenia wytwarzania energii w aglomeracji warszawskiej Nowe wyzwania, nowe możliwości - 2 -
Mimo, że możliwości, jakie stwarza dla Warszawy istnienie rozbudowanego układu ciepłowniczego bazującego na wysokosprawnej kogeneracji są bardzo duże, to jednak tak przed władzami miasta jak i przedsiębiorstwami energetycznymi wciąż pojawiają się nowe wyzwania tak w zakresie bezpieczeństwa jak i jakości dostaw energii. Wieloletni wzrost lokalnego zapotrzebowania na energię elektryczną przewyższający średnią krajową, a w szczególności duże zapotrzebowanie na energię elektryczną w sezonie letnim powodują, że mimo dotychczasowych prac modernizacyjnych równowaga energetyczna miasta staje się z roku na rok coraz bardziej zagrożona. Intensywne prace inwestycyjne prowadzone zarówno przez operatora systemu przesyłowego jak i lokalnego dystrybutora energii służą poprawie poziomu bezpieczeństwa dostaw, ale i tak staje się on w coraz większym stopniu uzależniony od możliwości generacji lokalnej w jednostkach Vattenfall Heat Poland S.A.. Dla zapewnienia tej generacji niezbędna jest ciągła modernizacja posiadanych jednostek wytwórczych, a także budowa wysokosprawnych nowych mocy. Wybrane przez Vattenfall Heat Poland S.A. technologie nowych jednostek oparte o układy upustowo-kondensacyjne biorą pod uwagę pojawiające się wyzwania w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii. Przy wzrastających silnie w ostatnich latach potrzebach w zakresie dostaw energii elektrycznej dla Warszawy zachowanie lokalnego rynku scentralizowanej energii cieplnej podlegało zupełnie przeciwnym zmianom. Podjęte w ciągu ostatnich kilkunastu lat prace w zakresie termomodernizacji warszawskich budynków spowodowały znaczne ograniczenie zapotrzebowania na energię cieplną. O ile wynikający z tego efekt w postaci zmniejszenia zużycia paliw w elektrociepłowniach i możliwości redukcji mocy zainstalowanych w kotłach wodnych należy uznać za objaw pozytywny to jednak nie można nie zauważyć, że zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło użytkowe skutkuje także mniejszą możliwością produkcji energii elektrycznej w kogeneracji. Roczna produkcja* i zużycie energii Zapotrzebowanie i podaż* mocy szczytowej *bez planowanych inwestycji VHP Rys nr 2. Prognoza bilansu elektroenergetycznego Warszawy (bez nowych inwestycji) Biorąc pod uwagę wyniki prowadzonych obecnie analiz także w przyszłości możemy spodziewać się dalszego zmniejszenia potrzeb ciepłowniczych w ramach istniejącego systemu ze względu fakt, że prace termomodernizacyjne na terenie miasta są nadal prowadzone. - 3 -
Dlatego też należy nadać najwyższy priorytet działaniom związanym z przyłączaniem nowych obiektów do miejskiej sieci ciepłowniczej w celu skompensowania ubytków zamawianej mocy cieplnej prowadzących do zmniejszenia produkcji energii elektrycznej w kogeneracji. O ile trudno podważyć zasadność oszczędzania energii to jednak towarzyszące temu efekty negatywne (zmniejszenie produkcji energii elektrycznej w kogeneracji) powinny nas dopingować do poszukiwania jeszcze lepszych niż dzisiaj sposobów zaspokajania potrzeb energetycznych Warszawy. Przy wysokim tempie rozwoju tak budownictwa mieszkaniowego jak i budynków usługowych ostatnie lata charakteryzowały się zbyt niskim wykorzystaniem potencjału ogrzewania wynikającego z istniejącego systemu ciepłowniczego. Nawet na terenach, gdzie sieć cieplna była dostępna w wielu przypadkach powstawały budynki o systemach ogrzewania opartych na rozwiązaniach lokalne nie dających możliwości optymalnego zaspokajania wszystkich potrzeb energetycznych miasta. Niezależnie od przesłanek, które kierowały inwestorami przy wyborze technologii ogrzewania i niezależnie też od wysokiej sprawności cieplnej nowo instalowanych kotłów gazowych, rozwiązania lokalne prowadziły wprost do marnowania potencjału wysokosprawnej kogeneracji na terenie Warszawy prowadząc jednocześnie do zwiększania potrzeby produkcji energii elektrycznej w odległych od Warszawy elektrowniach kondensacyjnych. Wydaje się, że obecnie przyszedł najwyższy czas, żeby zwracając baczniejszą niż dotąd uwagę na aspekty ekologiczne związane z produkcja energii, podjąć na terenie Warszawy działania mogące odwrócić ten niekorzystny trend. 420 MWt 660 MWt Prognozowany wzrost rynku ciepła aglomeracji warszawskiej wynosi 1080 MWt Rys nr 3. Potencjał rynku ciepła Warszawy ( w obrębie i poza obrębem m.s.c.) W Warszawie w dalszym ciągu w bezpośrednim lub pośrednim zasięgu miejskiego systemu ciepłowniczego znajduje się wiele terenów, na których w najbliższych latach powstaną nowe budynki mieszkaniowe i usługowe. Biorąc pod uwagę zarówno aspekty ekologiczne jak i konieczność zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii w pełni uzasadnionym wydaje się przekonanie, że wymogiem wobec tych inwestycji powinno być wykorzystanie dla celów grzewczych ciepła sieciowego. - 4 -
Przy zapewnieniu wyższego poziomu bezpieczeństwa energetycznego i redukcji negatywnego oddziaływania na środowisko wprowadzenie takiego warunku, wynikającego ze strategicznych uwarunkowań rozwoju miasta nie musi wcale być w sprzeczności ze regułami konkurencji i wymogami gospodarki rynkowej. Wymóg stosowania ekologicznie korzystnych technologii kogeneracyjnych pozostawia całkiem duże pole dla konkurencji w zakresie wykorzystania różnych rodzajów paliw. Stosowane dziś w Elektrociepłowni Żerań, jak i uruchamiane w najbliższym czasie w Elektrociepłowni Siekierki współspalanie biomasy spowoduje znaczną redukcję emisji CO2 i innych zanieczyszczeń kierowanych do atmosfery. Planowane w przyszłości wybudowanie jednostki gazowej pozwoli dodatkowo obniżyć emisje i zmniejszyć uciążliwość produkcji energii dla mieszkańców Warszawy. Dodatkowo, w przyszłości wykorzystanie dużych jednostek kogeneracyjnych daje także szanse na efektywną dalszą redukcję emisji gazów cieplarnianych poprzez wykorzystanie technologii CCS. Vattenfall Heat Poland S.A. planuje, że realizacja pełnego programu inwestycyjnego, w tym rozszerzenie gamy wykorzystywanych paliw i wdrożenie CCS może doprowadzić do 60% jednostkowej redukcji emisji CO2 do atmosfery już w roku 2020. 100% Struktura paliw do produkcji energii elektrycznej w Warszawie gaz węgiel biomasa odpady komunalne 0% 2009 2020 Rys nr 4. Struktura paliw w wyniku realizacji programu inwestycji w obszarze m.s.c. Ale nie tylko inwestycje Inwestycje w nowe moce wytwórcze nie powinny być traktowane, jako jedyny sposób na sprostanie nadchodzącym wyzwaniom. Pamiętajmy, iż w istniejących urządzeniach i układach technologicznych drzemią jeszcze rezerwy, których uruchomienie może wspomóc realizację ambicji Warszawy w zakresie energetyki. Warszawski System Ciepłowniczy jest jednym z najbardziej rozległych i skomplikowanych w Europie i na świecie. Z jednej strony stawia to przed operatorami szczególne wyzwania w zakresie prowadzenia jego eksploatacji i planowania rozwoju. Z drugiej jednak strony daje niezrównane możliwości wykorzystania synergii pomiędzy poszczególnymi elementami systemu i uzyskania efektów ekonomicznych wynikających z optymalizacji. Jednym z podstawowych warunków niezbędnych dla uzyskania pozytywnych efektów jest współdziałanie pomiędzy wytwórcą energii cieplnej Vattenfall Heat Poland S.A. i jego dystrybutorem SPEC S.A.. - 5 -
Dotychczasowa dobra współpraca zaowocowała w obszarze technologicznym m.in. praktycznym wdrożeniem elastycznego określania obszarów zasilanych z poszczególnych źródeł. Mimo, że wiąże się to z pewnym skomplikowaniem działania służb dystrybutora ciepła, to jednak możliwość szerszego wykorzystywania do produkcji ciepła urządzeń o wyższej sprawności i pracujących w kogeneracji stała się podstawą do obniżenia kosztów produkcji w źródłach ciepła. Daje to w efekcie możliwość utrzymywania niższych cen ciepła dla mieszkańców Warszawy. Także w wyniku wykorzystania kompetencji dystrybutora ciepła i jego współpracy z VHP możliwe było zaproponowanie programu inwestycyjnego wytwórcy, który przy planowaniu likwidacji starych i budowy nowych jednostek lepiej uwzględnił możliwości, jakie daje elastyczne wykorzystanie sieci cieplnej. Wraz z rozwojem konkurencyjnego rynku pojawiły się przed wytwórcami energii elektrycznej nowe możliwości zwiększania przychodów z jej sprzedaży w wyniku wykorzystywania dobowych różnic cen energii. O ile ta możliwość, w przypadku elektrowni kondensacyjnych jest tylko pochodną jej własnych zdolności w zakresie planowania dostępnych mocy wytwórczych to w przypadku elektrociepłowni możliwość wykorzystania korzystnych zmian cen energii elektrycznej jest znacznie bardziej uzależniona od sposobu pracy sytemu ciepłowniczego. W warunkach warszawskiego systemu ciepłowniczego fakt występowania maksymalnych potrzeb ciepłowniczych w porze nocnej, przy maksymalnych cenach energii elektrycznej w ciągu dnia powoduje utratę istotnych korzyści możliwych do osiągnięcia na rynku energii elektrycznej Starając się ominąć to ograniczenie Vattenfall Heat Poland S.A. uruchomił w tym roku pierwszy tej wielkości w Polsce akumulator ciepła dający możliwość lepszego dopasowania dobowego profilu produkcji do profilu cen na rynku energii. Zabudowany na terenie EC Siekierki wielki zbiornik o pojemności 30 000 m3 pozwala na gromadzenie gorącej wody wyprodukowanej w trakcie dziennego szczytu energetycznego i wykorzystanie jej dla potrzeb ciepłowniczych w okresie zwiększonego zapotrzebowania na ciepło w okresie nocnym. Oprócz dodatkowych przychodów pochodzących ze sprzedaży większej ilości energii elektrycznej po wyższych cenach stosowanie akumulatora ciepła pozwala na ograniczenie w sezonie grzewczym pracy jednostek szczytowych redukując koszty wynikające m.in. z ich częstych i krótkotrwałych uruchomień. Mimo, że akumulator w Elektrociepłowni Siekierki jest największym tego typu urządzeniem w Polsce i niewiele pod względem wielkości ustępuje największym urządzeniom tego typu w innych krajach to jednak, biorąc pod uwagę wielkość warszawskiego systemu ciepłowniczego nie pozwala on w pełni uniezależnić produkcje energii elektrycznej od obciążenia cieplnego. Rozwiązaniem, które pozwoliłoby uzupełnić jego możliwości mogłoby być wykorzystanie akumulacji ciepła w wodzie krążącej w miejskiej sieci ciepłowniczej. Biorąc pod uwagę ogromne ilości wody w warszawskim systemie ciepłowniczym zasadnym rozwiązaniem może być takie planowanie pracy sieci w zakresie temperatur wody zasilającej, żeby nie pogarszając komfortu cieplnego odbiorców umożliwić wytwórcy zwiększenie produkcji kogeneracyjnej w okresie dnia. Oczywiście zmiana grafiku temperatur musi być przemyślana, oparta na rozwiniętym prognozowaniu zapotrzebowania na ciepło wynikającego z warunków atmosferycznych. Zmiany grafiku temperatur będą też skutkowały zmianami w innym parametrach pracy takich jak ciśnienia i przepływy wody. Wszystkie te operacje nie są proste i wymagają dobrze skoordynowanych prac tak po stronie wytwórcy jak i dystrybutora ciepła. W oparciu o wcześniej wykonane analizy Vattenfall prowadzi już obecnie działania nad wykorzystaniem możliwości akumulowania ciepła w sieci w układzie ciepłowniczym w Nykoping, gdzie, jako właściciel zarówno źródła ciepła jak i sieci, ma duże możliwości prowadzenia optymalizacji całego systemu. - 6 -
Możliwość wykorzystania synergii pomiędzy produkcją i dystrybucją ciepła mogą dotyczyć nie tylko sfery eksploatacyjnej, ale przenosić się także na obszar inwestycji. Efektywny wybór pomiędzy inwestycjami realizowanymi po stronie wytwarzania i tymi, które są prowadzone po stronie dystrybucji ciepła daje znaczące możliwości obniżki kosztów dla konsumentów ciepła sieciowego. Na podstawie doświadczeń Vattenfall i analizy pracy systemów ciepłowniczych w innych krajach można potwierdzić, że w oparciu o lokalne warunki istnieje wiele możliwości wyboru tak np. w zakresie sposobu zapewnienia odpowiednich ciśnień w sieci ciepłowniczej jak też, sposobu pokrywania zapotrzebowania szczytowego. Nowe możliwości współpracy pomiędzy jednostkami wytwórczymi i systemem sieciowym muszą być rozważane wraz z rozwojem nowych technologii ciepłowniczych takich jak wykorzystanie paneli słonecznych, geotermii, czy pomp ciepła. Przemyślane wykorzystanie tych technologii w wybranych fragmentach systemu może spowodować obniżkę kosztów jego funkcjonowania przynosząc korzyści mieszkańcom Warszawy. W każdym jednak przypadku masowe wdrożenie nowej technologii powinno być poprzedzone analizami ich wpływu na efektywność i bezpieczeństwo dostaw wszystkich nośników energii niezbędnych dla funkcjonowania miasta. Chociaż wydaje się, że technologie scentralizowanego ciepłownictwa rozwijane od kilkudziesięciu lat są sprawdzone i dobrze opanowane to jednak nowe uwarunkowania wynikające z wymogów środowiskowych, czy wdrażania rozwiązań rynku konkurencyjnego w obszarze energii elektrycznej spowodowały powstanie nowych wyzwań i możliwości technologicznych. Obniżka kosztów funkcjonowania systemu, czy integrowanie nowych technologii generacji rozproszonej stawia przed inżynierami nowe zadania wymagające przeprowadzenia zarówno prac badawczych jak i wdrożeniowych. W tym przypadku wybrane kierunki działań optymalizacyjnych w zakresie technologii będą zawsze pochodną przyjętych kryteriów oceny. Jeśli za priorytet przyjmiemy bezwzględną redukcji emisji gazów cieplarnianych to np. rozwój wykorzystania paneli słonecznych wydaje się dobrym rozwiązaniem. Jednak przy jego wdrażaniu w konkretnym systemie, np. w Warszawie musimy liczyć się z konsekwencjami obniżenia lokalnego bezpieczeństwa elektroenergetycznego poprzez redukcję możliwości produkcji kogeneracyjnej w istniejących źródłach. W obecnych warunkach zwiększenie produkcji zielonego ciepła może paradoksalnie prowadzić do zwiększenia emisji gazów cieplarnianych. Stanie się tak jeśli, przy niedostatku produkcji kogeneracyjnej, dla zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa elektroenergetycznego, Operator Systemu Przesyłowego będzie zmuszony wymuszać większą produkcję energii w kondesacji. Jeśli z kolei priorytetem stałaby się minimalizacja kosztów dostaw energii dla mieszkańców, przy zachowaniu wysokich standardów ochrony środowiska, to bezwzględne pierwszeństwo uzyska wykorzystanie technologii wysokosprawnej kogeneracji. W przypadku tak dużej aglomeracji jak Warszawa, posiadającej rozbudowany i możliwy do dalszego rozwijania system ciepłowniczy dodatkowym atutem będzie w tym przypadku możliwość wykorzystania najtańszych technologii bazujących na dużych jednostkach wytwórczych. Takie właśnie urządzenia, o najniższych kosztach wytwarzania, już dziś są umieszczane w planach rozwojowych Vattenfall Heat Poland S.A.. Podsumowanie Dążąc do zapewnienia bezpiecznych dostaw ekologicznej energii dla swoich potrzeb Warszawa dysponuje niepodważalnym atutem w postaci wielkiego systemu ciepłowniczego i - 7 -
zasilających go źródeł kogeneracyjnych. Obecnie w dobie poszukiwania oszczędności energetycznych i rozwiązań obniżających niekorzystny wpływ energetyki na środowisko system ten daje nadal wielkie możliwości poprawy swojej efektywności. W tym zakresie istnieje wiele możliwości wykorzystywania nowych, bardziej ekologicznych paliw w dotychczasowych źródłach energii. System pozwala też na integrowanie nowych technologii wytwarzania, w tym technologii opartych na odnawialnych źródłach energii. W celu najlepszego wykorzystania możliwości, jakie dają nowe technologie niezbędne jest przy ich wprowadzaniu uwzględnienie skutków, jakie będą wywierały na pracę całego systemu. W praktyce przeprowadzenie optymalizacji systemu będzie możliwe w przypadku pełnego zaangażowania do tych prac operatorów wszystkich podsystemów energetycznych na terenie Warszawy. W celu zapewnienia wykorzystania atutu, jakim jest możliwość wykorzystania kogeneracji, oprócz intensywnych prac w zakresie technologii i analiz ekonomicznych konieczne jest tworzenie efektywnych ram prawnych dla współpracy wszystkich podmiotów energetycznych działających na terenie miasta. Ważne jest, aby przy ich tworzeniu wszystkie podejmowane w tym obszarze decyzje oparte były na dążeniu do najlepszego zaspokojenia potrzeb odbiorców energii. W kontekście tak sformułowanego wyzwania Vattenfall Heat Poland S.A, bazując na swoim wieloletnim doświadczeniu zdobytym w Warszawie, ale także wykorzystując wiedzę pochodząca z obsługi systemów energetycznych innych dużych aglomeracji takich jak Berlin, czy Hamburg jest gotów, tak jak do tej pory, do pełnej i otwartej współpracy ze wszystkimi lokalnymi partnerami w celu wdrażania najlepszej praktyki energetycznej z korzyścią dla mieszkańców Warszawy. - 8 -